創新題需要扎實的論證研究

摘 要：對一道高中物理單項選擇題的答案提出質疑，通過對新課標和多版本新教材的深入研究，并查詢相關數據庫和物理手冊等權威數據，經過嚴密計算論證，確認該題四個選項均存疑，進而提出對命制經典創新好題的思考。

關鍵詞：比結合能；數據；論證

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）7-0067-3

1 問題提出

原題（廣東省2024屆普通高中畢業班第二次調研物理考試單項選擇第1題）2023年8月24日，日本政府無視國內外反對呼聲，單方面將福島核污染水排入大海，核污染水中有多種有害物質，其中氚（H）的半衰期為12.43年，核反應方程為H→He+e，下列說法正確的是（ ）

A.該反應中產生的電子來源于H的外層電子

B.He的比結合能大于H的比結合能

C.受核污染的魚類經過高溫烹煮能去除其放射性

D.H衰變時會釋放能量，衰變過程中的質量虧損等于e的質量

從命題的角度看，這是一道符合廣東省新高考改革的創新好題，在福島核污染水排放的情境下設置了多個問題，既考查了學生核物理知識和科學思維，同時還能夠讓學生在如何保護人類生存環境方面進行情感及價值觀方面的思考。

在設計的四個答案中，A選項錯誤比較明顯，因為核反應是在原子核內部進行的，產生的電子是由核內的一個中子轉變為質子時放出的電子，跟核外層電子無關；C選項錯誤也比較明顯，因為受核污染的魚體內有氚（H），但是氚（H）的半衰期是不受溫度等外界因素影響的，因此高溫烹煮不能去除其放射性；D選項錯誤也比較明顯，因為氚（H）發生β衰變的質量虧損等于反應核H的質量減去生成的核He與e的質量之和，并且以β粒子的動能和其他射線的能量放出。

試題給出的正確答案是B選項，但He的比結合能真的大于H的比結合能嗎？

2 問題分析

為了尋找正確答案，首先查閱《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》對該內容的要求：認識原子核的結合能，了解核裂變反應和核聚變反應，關注核技術對人類生活和社會發展的影響［1］。但課程標準的要求描述并不能夠直接解決問題，繼續翻閱和研究如人教版、粵教版、魯科版、滬科教版、教科版等國內主流新教材在選擇性必修三對結合能的闡述及相關論證，由此發現這些新教材的闡述相似，首先是提出結合能的概念，接著介紹比結合能（或稱平均結合能）的概念，并且闡明了比結合能大小與原子核穩定程度的關系，最后都給出了不同原子核的比結合能隨質量數A的變化曲線圖，但仔細研究也發現不同版本教材的介紹有細微差別，如粵教版和魯科版的比結合能曲線圖對He和H的比結合能位置有明確的標注，如圖1為粵教版選擇性必修三的曲線圖［2］。

從圖1可以直接看出He的比結合能小于H的比結合能，也就說從圖1可以初步判斷B選項是錯誤的。當然，也不能夠草率下結論，如何論證圖1的標注是正確無誤的，需要用數據計算進行論證。

通過核物理主要數據庫（http：//www.nuclear.csdb.cn/）查詢和北京大學出版社的物理手冊查詢，可以得到如表1 的數據。

表1的中子質量1.674 928 6×10-27 kg是通過物理手冊SI單位制物理常數查詢得到，中子質量1.008 664 898 753 25 u是通過核物理主要數據庫查詢得到。通過計算，1.674 928 6×10-27 kg相當于1.008 664 891 099 896 u，與查詢得到的1.008 664 898 753 25 u數據的前9位數字高度吻合。

表1中的電子質量9.109 389 7×10-31 kg通過計算相當于0.000 548 579 895 867 u，H核的原子質量1.007 825 064 984 88 u，可知質子質量是H核的原子質量減去電子質量，即質子質量為1.007 825 064 984 88 u-0.000 548 579 895 867 u=1.007 276 485 089 01 u。對比表1中的質子質量1.672 623 1×10-27 kg通過計算相當于1.007 276 487 494 852 u，兩個數據的前9位數字也高度吻合。通過表中數據的兩次論證，完全可以認為表1數據是權威可信的。

根據表1，重新處理需要使用的數據如下（以下數據四舍五入取數字的前8位）：

中子質量：1.008 664 9 u

質子質量：1.007 276 5 u

H核質量：3.015 500 7 u

He核質量：3.014 932 1 u

H核的比結合能的計算：

H核的結合質量虧損：

Δm=（2×1.008 664 9 u +1.007 276 5 u）-3.015 500 7 u=0.009 105 6 u

H核的結合能：

ΔE= 0.009 105 6×931.494 32 MeV=

8.481 814 7 MeV

H核的比結合能：ΔE/3=2.827 271 6 MeV

He核的比結合能的計算：

He核的結合質量虧損：

Δm=（1.008 664 9 u +2×1.007 276 5 u）-3.014 932 1 u =0.008 285 8 u

He核的結合能：

ΔE= 0.008 285 8×931.494 32 MeV=

7.718 175 64 MeV

He核的比結合能：ΔE/3=2.572 725 2 MeV

計算可得H的比結合能為2.827 271 6 MeV，He的比結合能為2.572 725 2 MeV，即計算論證了He的比結合能小于H的比結合能。

綜合以上多個證據，論證了試題給出的B選項是錯誤的，即該題四個選項全部錯誤，該題沒有正確答案。

3 問題反思

廣東省2024屆普通高中畢業班第二次調研物理考試分析還是把B選項作為正確答案進行分析和統計。本次調研考試的物理分析報告顯示，物理類考生共有63 233人參與數據分析，本題全體考生選A為26%，選B為41%，選C為1%，選D為32%，滿分為4分，平均分為1.65分。報告還對該題進行了考生的分層分析，總分660分以上的考生該題平均分為4分，總分600分以上的考生該題平均分為3.44分，總分550分以上的考生該題平均分為3.12分，總分500分以上的考生該題平均分為2.59分，總分達特控線476分以上的考生該題平均分為2.42分，總分達本科線380分以上的考生該題平均分為1.95分。從數據上可以看出，總分越高的考生越容易把B選為正確答案。

為什么試題會出現B選項的錯誤，可能是命題者和審題者大意導致，也可能是他們認為核裂變和核聚變反應能夠進行是因為生成新核的比結合能增大，進而錯誤地推廣到包括β衰變的所有核反應都是生成新核的比結合能會增大。但是，H→He+e的β衰變比較特殊，因為原子核內有一個中子會轉變為質子和電子，并要放出電子和能量，并且導致在比較初始核的比結合能和新核的比結合能時，初始核和生成新核的自然核子種類已經發生了較大的改變，因此計算初始核的比結合能和新核的比結合能時，需要嚴謹地去論證研究。

廣東省2024屆普通高中畢業班第二次調研物理考試出現第1道選擇題沒有答案的失誤告訴我們，命題創新不僅需要命題者有創新意識，有過硬的物理專業功底，而且還需要扎實的論證研究。審題者也需要有扎實的物理專業功底，認真思考和研究，及時準確地提出修改意見，特別對容易出錯的創新題，每一個環節都不能夠掉以輕心，才能命制出經得起推敲的經典創新好題。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京：人民教育出版社，2020：34.

［2］熊建文.普通高中教科書物理選擇性必修第三冊［M］. 廣州：廣東教育出版社，2020：115.

［3］Horst Stocker.物理手冊［M］.吳錫真，李祝霞，陳師平，譯.北京：北京大學出版社，2004：1011.